Plasmonische Nanostrukturen haben aufgrund ihrer Fähigkeit, einfallendes Licht auf kleine nanoskopische Bereiche zu fokussieren, große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Sie ermöglichen so die Manipulation von Licht unterhalb der sogenannten Beugungsgrenze. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden diese bemerkenswerten Eigenschaften für verschiedene Anwendungen nutzbar gemacht, z. B. für die Verstärkung von Quantenemittern, der Raman-Spektroskopie, der Sensorik, bei erneuerbaren Energien und der Optoelektronik.
Unter den vielen plasmonischen Nanostrukturen sind dimere Nanopartikel auf einer metallischen Spiegelplattform ein besonders vielversprechender Kandidat, um diese Eigenschaften durch präzise Steuerung des Abstands (Nanospalte) zwischen den Nanopartikeln und der unteren Metallschicht zu erreichen. Die Verwendung einzelner Nanopartikel zeigen hier zwar sehr gute Eigenschaften Licht auf kleine Bereiche zu fokussieren, aber ihre Funktionalität ist auf extrem kleine Abstände (im Bereich weniger Nanometer) zwischen den Nanopartikeln und der Metallschicht beschränkt. Die Entwicklung hocheffizienter Anwendungen durch die Einbindung externer Materialien wie Quantenpunkte oder Biomaterialien in bei solchen Systemen wird aufgrund der Größe dieser externen Materialien schwierig. Einzelne Nanopartikel, insbesondere sphärisch geformte, reagieren sehr empfindlich auf den Abstand zur Oberfläche, was zu einer raschen Verschlechterung der plasmonischen Verstärkung führt und somit zu einer geringen geometrischen Toleranz führt. Dimere-Nanopartikel auf der anderen Seite bieten eine hervorragende Lösung, da sie diese eine höhere Toleranz für den Abstand zeigen.
Anstelle von lithografischen Methoden ist eine auf Selbstorganisation basierende Herstellungsstrategie ein gängiger Ansatz zur Herstellung plasmonischer Nanostrukturen, da sie einfach und kostengünstig ist. Bei früheren Ansätzen auf der Grundlage der Selbstorganisation wurde jedoch ein veränderter Brechungsindex (n≠1) in solchen Nanolücken oder Hotspots zwischen den Partikeln festgestellt, was die plasmonischen Eigenschaften deutlich beeinträchtigt hat.
Dr. Devaraj und sein Team haben nun eine einfache Methode, basierend auf Selbstorganisation, zur Herstellung von dimeren Gold-Nanopartikeln entwickelt mit der sich geringe Dichten von Nanopartikeln auf einem Metallfilm über eine große Fläche eines Substrats herstellen lassen. Sie verwendeten dazu ein virusähnliches Biomaterial auf der Oberfläche. Bei diesem Ansatz wurde die Brechungsindexumgebung der Nanolücken (n = 1) zwischen den Nanopartikeln nicht verändert und die plasmonischen Eigenschaften bleiben erhalten. Zum Vergleich haben die Wissenschaftler absichtlich eine geringe Dichte von Gold-Nanopartikeln auf ein häufig verwendetes Glassubstrat mit aufgebracht. Bei dem reinen Glassubstrate bildeten sich überwiegend nur einzelne Nanopartikel aus während bei dem mit dem biomaterial beschichteten Oberflächen hingegen beobachteten wir eine konsistente die Bildung von Dimeren aus zwei Nanopartikeln beobachtet wurde. Um diese Unterschiede zu verstehen, wurden in der Gruppe von Prof. Schmidt an der Universität Paderborn genaue Berechnungen zur Wechselwirkung von Goldnanopartikeln mit den Oberflächen durchgeführt. Die Untersuchungen ergaben, dass die Adsorption von Goldpartikeln an SiO2 viel stärker ist, während bei der modifizierten Oberfläche vergleichsweise schwächere Wechselwirkungen zu beobachten waren, die zu einer hohen Mobilität der Partikel führten. Dies begünstigte die Bildung von Dimeren auf den modifizierten Oberflächen. Als Test haben die Wissenschaftler einen vollständig reversiblen dynamischen Prozess beobachtet, bei dem die Dimeren-Partikel zu einer deutlichen Veränderung der optischen Eigenschaften bei einer geringen Änderung der Feuchtigkeitsbedingungen geführt haben. Das entwickelte einfache Herstellungsverfahren ebnet den Weg für eine Vielzahl potenzieller Anwendungen in der Sensorik, für struktur-spezifische optische Studien und für die Verstärkung von Quantenemittern.
Diese Arbeit ist eine Zusammenarbeit zwischen der Gruppe von Prof. Thomas Zentgraf (Universität Paderborn), der Gruppe von Prof. Wolf Gero Schmidt (Universität Paderborn) und Prof. Jong-Min Lee (Hallym University). Wir bedanken uns für die Förderung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des PhoQuant-Projekts, die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Sonderforschungsbereichs TRR142 und die National Foundation of Korea (NRF).
Link zur Original-Publikation - https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2025/nh/d4nh00546e
